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一个简单demo，其中大部分资源以及实现都来自Unity官方项目BoatAttack以及GPUI插件。本系列文章讲一下大致实现思路，想详细了解的可以下载工程查看（800m大小）。
附上工程链接链接：https://pan.baidu.com/s/1RQLLoVQhGAToZoCMvhe9QQ?pwd=mrzz 提取码：mrzz
需要的工具：Unity2020，VS2019
目录：
一、水体渲染
二、水体交互
三、岩石、植被渲染
四、GPUI渲染大量实例
<hr/>
演示 水体渲染 和 gpu实例化
https://www.zhihu.com/video/1538310165103468545
<hr/>水体渲染
水体主要实现的效果：
水体渲染效果1
水体渲染效果2
一、波浪
创建一个空物体，挂上脚本ASE_Water.cs
1、LOD
波浪使用到的资源在Assets\ASE\Meshes\ASE_WaterMesh.fbx。
在Unity的Scene面板中的左上角，切换至网格渲染，该模型组如下所示，中间的网格顶点密集，边上的顶点稀疏。
水面网格
将该模型组添加到ASE_Water的Water Mesh列表中。
然后我们需要在Update中实时更改其位置，使其始终保持在摄像机朝向的下方。
更改水面位置
现在就得到了一个可以跟随相机的水面了。
2、顶点动画
现在的水面是一个平面上的网格，需要对顶点进行偏移才能模拟波浪。
代码部分在Assets\ASE\Shaders\ASE_Water.shader 实现。
2.1、单个sin函数
顶点高度函数：
W_i(x,y,t) = A_i \times sin(D_i \cdot (x,y) \times w_i + t \times \phi_i)
W_i ：修改后的顶点位置。输入为x,y坐标（水面顶点的x,z）以及时间t，输出为变换后的z坐标（水面顶点的y）
A_i ：控制水的振幅
D_i ：波浪移动的方向，与(x,y)点乘得到某一方向上的分量
w_i ：频率，和波长互为倒数，控制水的波长
\phi_i ：与t相乘代表波峰的移动距离，控制水的移动速度
单个sin函数生成波浪
法线函数：
首先定义顶点坐标函数：
P(x,y,t) = (x,y,W_i(x,y,t)) ，其中 W_i(x,y,t) 即刚才的顶点高度
一个顶点的法线怎么求得？
求出X和Y方向上的偏导 B 和 T ，再用 B \times T 得到顶点的新法线 N 。
对X偏导，得到 B ：
\begin{aligned} B(x,y,t) &= [\frac{\partial x}{\partial x},\frac{\partial y}{\partial x},\frac{\partial}{\partial x}(W_i(x,y,t))] \\&= [1,0,\frac{\partial}{\partial x}(W_i(x,y,t))]\end{aligned}
同理，对Y偏导，得到 T ：
T(x,y,t) = [0,1,\frac{\partial}{\partial x}(W_i(x,y,t))]
B \times T 得到 N ：
N(x,y,t) = [-\frac{\partial}{\partial x}(W_i(x,y,t)),-\frac{\partial}{\partial y}(W_i(x,y,t)),1]
其中 \frac{\partial}{\partial x}(W_i(x,y,t)) =w_i \times D_i.x \times A_i \times cos(D_i \cdot (x,y) \times w_i + t \times \phi_i)
//单个Sin波浪
WaveStruct SinWave(half2 pos,float waveCountMulti, half amplitude, half angle, half wavelength)
{
WaveStruct waveOut;
float time = _Time.y;
half w = 6.28318 / wavelength;
half wSpeed = sqrt(9.8 * w);
angle = radians(angle);
half2 direction = half2(sin(angle), cos(angle));
half dir = dot(direction, pos);
half calc = dir * w + time * wSpeed; // the wave calculation
half cosCalc = cos(calc);
half sinCalc = sin(calc);
waveOut.position = 0;
waveOut.position.y = amplitude * sinCalc*waveCountMulti;
waveOut.normal = normalize(float3(
-w*direction.x*amplitude*sinCalc,
1,
-w*direction.y*amplitude*sinCalc
)) * waveCountMulti;
return waveOut;
}2.2、叠加sin函数
顶点高度函数：
H(x,y,t) = \sum_{i}{W_i(x,y,t)}
法线函数：
此时得到新的顶点坐标函数：
P(x,y,t) = (x,y,H(x,y,t))
同理求得法线 N ：
N(x,y,t) = [-\frac{\partial}{\partial x}(H(x,y,t)),-\frac{\partial}{\partial y}(H(x,y,t)),1]
其中 \frac{\partial}{\partial x}(H(x,y,t)) =\sum_{i}{(w_i \times D_i.x \times A_i \times cos(D_i \cdot (x,y) \times w_i + t \times \phi_i))}
多个sin叠加
2.3、Gerstner叠加波浪
Sin函数的变种，可以使得波谷更加平坦，波峰更陡峭，更好地模拟波浪。
Sin函数中的 P(x,y,t) 只会修改其z值，而Gerstner中还需要将x,y坐标向波峰位置移动。
新的顶点坐标函数：
P(x,y,t) = \begin{bmatrix} x + \sum_{i}{(w_i \times D_i.x \times A_i \times cos(D_i \cdot (x,y) \times w_i + t \times \phi_i))} \\ y+\sum_{i}{(w_i \times D_i.y \times A_i \times cos(D_i \cdot (x,y) \times w_i + t \times \phi_i))} \\ \sum_{i}{(A_i \times sin(D_i \cdot (x,y) \times w_i + t \times \phi_i))} \end{bmatrix}
其中，x,y分别向各自的偏导方向移动，即波峰位置
同理，求偏导得到 B 和 T ，再用 B \times T 得到顶点的新法线 N 。
多个Gerstner函数叠加
到这里，波浪生成的部分就结束了。
<hr/>二、折射
1、_CameraDepthTexture
该纹理由渲染管线在渲染完不透明物体之后生成，在Renderer中勾选OpaqueTexture即可。
2、UV扰动
对_CameraDepthTexture采样，不过需要添加一定的UV扰动，（扰动值是根据顶点法线算出来的）。
此时可以得到效果如下：
注意到黄色框内的错误，在水面上的物体也进行了uv扰动，这并不应该，需要对其修正。在4、修正讲解
3、WaterDepth
在shader中定义二维向量WaterDepth，其中x存储了视角方向上的水的深度，y存储了水的竖直深度。
WaterDepth示意图
WaterDepth.x 对_CameraDepthTexture采样，由采样得到的深度 减去 相机到水面顶点的距离
WaterDepth.x
WaterDepth.y 添加一个垂直水平面的相机，生成深度纹理
WaterDepth.y
最明显的差别就在于视角深度会随着观察角度改变，上面视角深度中的胶囊体靠近水面部分为红色，就是因为在这个角度观察，会得到较小的视角深度。
4、修正
对_CameraDepthTexture进行UV扰动时，我们可以对WaterDepth.x进行同样的的扰动，得到如下效果：
WaterDepth.x（修正）
这时候，用扰动过后的WaterDepth.x判断该点是否在水平面以上。若是的话则取消扰动，直接用screenUV进行采样。
此时，就能得到一个较好的折射效果：
折射（修正）
可以看到，树叶以及在水面上方的方块、胶囊体都没有产生扰动了。
5、sss吸收
同时，随着水的WaterDepth.x变得越大，我们能从水中观察到的折射部分会越少。
在demo里，自定义了一条吸收色带。
当WaterDepth.x较小时，我们能够透过水面看到水下的物体，对应了色带左边的白色；
当WaterDepth.x较大时，我们基本看不到水下的物体，随影了色带右边的黑色。
模拟水对光线吸收
模拟水对光线的吸收
将上述水对光线的吸收与折射部分相乘，即可得到整个折射部分的效果：
折射+sss(吸收)
<hr/>三、反射
1、翻转摄像机
水面反射物体的倒影，是将摄像机关于水平面做了一次翻转（位置、朝向都关于水平面对称）
对应到摄像机就是把红框内两个属性取反
位置和朝向取反
下面试一试，将摄像机翻转后的效果：
此时若直接将反射纹理采样到水平面上，会出现问题：
直接翻转摄像机
是因为我们把摄像机进行翻转后，水下的物体也能被看到，跟着一起反射了。
2、斜面裁剪
所以我们需要对其进行一次斜面裁剪，将水面以下的物体给裁剪掉：
左边为常规的裁剪面，右边为斜面裁剪
Unity里可以很方便地实现斜面裁剪，调用CameraSpacePlane()，设置好裁剪面即可。
设置裁剪面
现在看看斜面裁剪之后的水面：
反射（斜面裁剪）
3、UV扰动
同样根据顶点法线添加扰动，不过在demo里还有一张水的表面贴图：
表面贴图
可以通过该贴图使得法线扰动更加细节，后续的焦散效果也用到了该贴图。
左图根据顶点法线进行扰动，右图结合了顶点法线和表面贴图
<hr/>四、菲涅尔项
当观察者和反射平面的夹角不同时，其反射和折射所占比例各不相同，菲涅尔效应即描述该现象。
通过viewDir（相机位置 - 水面顶点）和水面顶点法线相乘，可以得到夹角大小，然后进行幂运算可得到更好的效果。
菲涅尔项
可以看到，近处较暗，容易看到折射部分；远处较亮，容易看到反射部分。
将折射和反射按照菲涅尔项进行混合：
折射与反射混合
按菲涅尔项混合折射与反射
<hr/>五、sss散射
在折射部分，已经模拟了水对光的吸收，现在还需要模拟水对光线的散射（更好的模拟出水体通透的效果）。散射部分的色带与吸收相反：
水对光线的散射，主要是模拟直接光照和环境光，当WaterDepth越大时，会有更多的光散射出来，而不是被吸收（吸收的部分是要从水下折射出来的光，散射是水上反射的光）。
模拟水对光线的散射
然后乘上环境光（环境光用的Unity提供的球谐采样）和直接光照：
sss散射
现在将sss散射和之前的效果叠加：
折射+反射+菲涅尔+sss
<hr/>六、高光反射
设置好水面的brdf，然后将顶点法线，viewDir和lightDir作为输入，即可得到高光反射部分：
高光反射
将其叠加到之前的效果上：
折射+反射+菲涅尔+sss+高光
<hr/>七、浮沫
1、深度采样
靠近岸边以及靠近物体的地方都需要产生浮沫，所以需要结合WaterDepth的x和y分量。
靠近岸边的的WaterDepth.y一般比较小，靠近中间悬浮物的WaterDepth.x一般比较小。
两者取反之后，再取最大值，即可得到下图所示的浮沫产生区域。
浮沫区域
还有在波峰的位置也可以添加一点浮沫，采用了frac(sin(x))用以产生随机数，使得波峰位置产生的浮沫具有一定随机性（其实好像没有用）。
波峰浮沫区域
将浮沫纹理采样，结合浮沫产生的区域，即可得到下图所示的浮沫遮罩：
浮沫遮罩
2、计算光照
demo里的浮沫本身没有颜色，需要通过浮沫遮罩计算光照得到：
不同光照对应了不同颜色的浮沫
通过浮沫遮罩将水面和浮沫进行混合：
折射+反射+菲涅尔+sss+高光+浮沫
<hr/>最后可以加上一些后处理效果，调整场景中Post-process Volume的Volume组件即可。Bloom：
Bloom后处理
暂时先更新这部分的内容，下一节讲讲水体的交互。因为焦散和水体的物理交互都是用RenderFeature实现的，所以安排到下一节一起。
感谢以下文章提供的帮助：
参考链接：
lionheart：BoatAttack_水效果分析2_水的细节作色效果(折射，sss，高光)
jaleco：Boat Attack 项目海水技术解析
https://github.com/Unity-Technologies/BoatAttack |
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发表于 2022-8-13 11:23
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